Summary
Общая цель этой процедуры заключается в том, для измерения потока крови в общей сонной артерии крыс с помощью неинвазивного фазы контраст магнитно-резонансной томографии.
Abstract
Фаза контраст магнитно-резонансная томография (PC-МРТ) является Неинвазивная подход, которые могут количественно охарактеризовать поток связанные параметры, такие как поток крови. Предыдущие исследования показали, что аномальные кровотока может быть связано с системного сосудистого риска. Таким образом PC-МРТ может облегчить перевод данных, полученных из животных моделей сердечно-сосудистых заболеваний в соответствующих клинических исследований. В настоящем докладе мы описывают процедуру для измерения потока крови в общей сонной артерии (ОСО) крыс, сине закрытый PC-МРТ и обсудить методы соответствующего анализа. Эта процедура может быть выполнена в живой, осознающие животных и не требует эвтаназии после процедуры. Предлагаемые параметры проверки дают повторяющихся измерений для потока крови, указав отличную воспроизводимость результатов. PC-МРТ процедурой, описанной в этой статье может использоваться для фармакологической тестирования, патофизиологические оценки и оценки церебральной гемодинамики.
Introduction
Магнитно-резонансная томография (МРТ) — это универсальный подход, который содержит подробную информацию о структурах внутреннего тела и физиологии и все шире используется для клинической диагностики и в доклинических исследованиях на животных. Животные модели имеют жизненно важное значение для лучшего понимания значительные клинические последствия 1. Как Животные модели значительно отличаются от людей в отношении требований анестезии и физиологических параметров, значение приобретает оптимизация процедур МРТ для таких животных.
Фаза контраст МРТ (PC-МРТ) — это специализированный тип МРТ, использующий скорости течет прокруток для количественного определения связанных с потоком такие параметры, как поток крови. С PC-МРТ сопоставление шаблонов потока в крупных артерий, с использованием животных моделей может помочь пролить свет на сердечно-сосудистой патологии 2. Кроме того PC-МРТ неинвазивно может контролировать присущие изменения кровотока в патофизиологической условия 3. Эти наблюдения предполагают, что PC-МРТ является ценным подход, который может использоваться в моделях животных человека сердечно-сосудистых заболеваний.
В настоящем докладе мы описываем метод количественного определения потока крови в общей сонной артерии (ОСО) крыс. Два ОСО поставок головы и шеи с кислородом кровь, и сонной артерии заболевание является основной причиной инсульта. Таким образом выявление ранних патологии в ОСО имеет решающее значение. Эта процедура имеет продолжительность около 15 мин и потенциально может применяться к условиям изменения гемодинамики, такие атеросклероза или инсульта.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Институционального ухода и использования комитетов (IACUC) медицинского университета Китая одобрил все процедуры.
1. Животные-подготовка и мониторинг
- Оставьте все магнитно восприимчивы объектов, таких как кошельки, ключи, кредитная карта, и т.д. в коридоре сканера до начала животных подготовки для МРТ сканирование.
- Первоначально анестезировать крыса (2-месяц старый мужчина Sprague-Dawley (УР) крыса, 280 – 350 g) в поле индукции, используя смесь 5% изофлюрановая (ISO) и кислорода (2 Л/мин) для 3-5 мин, при необходимости.
- Когда животное лежачие и экспонаты никакого ответа на щепотку хвост или мыс, прекратите ISO администрации и передачи животное в зале сканирования.
- Крыса в постели МРТ в положении лежа головой и доставки 2-3% ISO через носовой конус устройства для поддержания анестезии.
- Монитор дыхания, поместив датчик дыхательных подушку под туловища животного.
- Подключите датчик к дыхательной системы и Проверка частоты дыхания между 40-50 ударов в минуту (bpm).
- Сине закрытый приобретение PC-МРТ, место одного электрода на правой лапы и левая задняя Лапа, соответственно (рис. 1a).
- Твист электрокардиография (ЭКГ) Кабели вместе.
- Используйте держатель с уха бара и бар укус обеспечить животное, чтобы ограничить движения головы.
- Используйте теплый воздух, электрогрелки системы или марлей для поддержания температуры тела в магнит.
- Убедитесь, что Р-волны является ясно на ЭКГ-монитор (рисунок 1b) и поместите животное в сканер. Нет необходимости размещать поверхности катушки на вершине шею животного как образы приобретают объем катушки.
2. МРТ приобретение
- Используйте 2-3% ISO для поддержания анестезии во время всей процедуры обработки изображений. Постоянно контролировать физиологические реакции и держать как можно постоянн.
- Начало МРТ, как только животное помещается внутри сканера и продолжает быть физиологически стабильной. В этом исследовании использовать 7 T зверька система MRI градиента численностью 630 Мт/m, но могут быть использованы другие прочностями поля небольших животных систем МРТ.
- Выберите последовательность «Локализации» из консоли монитора томографа и приобрести разведчик изображения вдоль всех трех ориентациями и использованием любой последовательности приобретение быстро изображений, например, быстро спиновое эхо, для создания корональных, осевые и сагиттальной изображения . Цель этих разведчик изображения является определение плоскости изображения.
- Убедитесь, что центр животного головы и шеи в центре магнита. При необходимости отрегулируйте положение животного, пока не будет достигнуто нужное положение. Если животное перемещен, повторите сканирование для получения изображений разведчик.
- Выберите последовательность «время полета (TOF) Ангиограмма» из консоли монитора томографа и приобрести 2D TOF Ангиограмма сначала выяснить точное местоположение анатомические ОАС. Используйте следующие параметры сканирования: повторение время (TR) / эхо времени (TE) = 22/4.87 МС, флип угол = 90°, поле зрения (FOV) = 40 × 40 мм2, размер матрицы = 256 × 256, кусочек толщиной 0,6 мм, с количеством возбуждения (NEX) = 1.
Примечание: Имя TOF последовательности может быть vender конкретным. Пользователь может вставить эти параметры в консоли монитора. - Убедитесь, что группа насыщения «на» и находится на вершине, чтобы избежать помех от венозного сигналов.
Примечание: Для насыщения группы, она обычно поставляется с TOF последовательности. Если группа насыщения не показывать на экране монитора, пожалуйста, сообщите лица службы. - После обнаружения ОАС, используя TOF Ангиограмма, целевой плоскости изображения PC-МРТ центр ОСО и ориентировать таким образом, что срез перпендикулярно к направлению потока крови (рис. 2a).
- Убедитесь, что дыхание и ЭКГ стробирования подключены к системе МРТ, показывая четкий сигнал на монитор компьютера (рис. 1b) и установить модуль триггеров, чтобы быть «в» в «режим триггера» от консоли монитора томографа.
- Подтверждают, что физиологические реакции животного стабильны до начала PC-МРТ от мониторинга компьютера (рисунок 1b). Убедитесь, что стробирования выбор «на «как монитор компьютера, так и консоль монитора томографа.
Примечание: Физиологии, мониторинга системы, используемые в данном исследовании предоставляется vender. Для большинства животных сканеров аналогичных систем мониторинга физиологии предоставляется и vender специфичные. - Выберите последовательность PC-МРТ последовательности из консоли монитора томографа и выполнения условного PC МРТ, используя следующие параметры: TR/TE=15.55/4.51 ms (минимум TR и TE), флип угол = 30°, ПЗ = 40 × 40 мм2, размер матрицы = 192 × 192, ломтик толщина = 2 мм, скорость кодирования (VENC) = 120 см/с, с NEX = 8. Однонаправленный VENC приобретается в направлении через плоскость.
Примечание: Время сканирования составляет приблизительно 8.5 мин, но время фактической проверки может быть немного отличается среди животных из-за различия в сердечных циклов. - Повторите шаги 2,6-2,9 захвата изображений, если быть изменено на другое место в рамках ОАС, такие как на бифуркации 4региона интерес (ROI).
- Удаление животное из сканера и вернуть его к своей клетке восстановления после завершения сканирования.
- Греть животное с лампой Отопление для поддержания температуры тела. Держите лампа по крайней мере 15 см от животного для предотвращения перегрева.
- Когда животное начинает двигаться и экспонатов в ответ на щепотку хвост или мыс, выключите лампу Отопление.
3. обработка данных
- Сохраните данные МРТ в Digital Imaging и связи в формате медицины (DICOM) или любой другой vender-формате. Создавать фильмы серии с двумя типами изображений: величины (Анатомия изображение) и фазу изображения (рис. 2b).
Примечание: В некоторых сканеров, третий тип изображения, который может быть фазы × масштаба изображения или разность комплекс (комплекс вычитание между двумя приобретений с различных градиентов скорости кодирования), генерируется. Третье изображение зависит от поставщика. - Предварительная обработка данных изображения. Тайные этапа изображение в скорости карты и исправить ошибки этапа смещение 5.
Примечание: Фаза изображение имеет произвольный Мистер единица интенсивности сигнала вместо значения истинной скорости, но интенсивность сигнала MR линейно пропорциональна скорости. Максимальный сигнал МРТ от фазы изображения обычно назначается в качестве значения VENC, и минимальный сигнал присваивается противоположное значение VENC. Просмотреть файл 1 дополнительный код для примера скрипта Matlab и нажмите на кнопку «запустить». - Тщательно разграничить ROI трассировки границы ОАС. Как артерии может распространяться и построить на различных этапах сердечной, разграничить трансформирования для каждого периода времени. Вычислить поток крови путем интеграции над артерией ROI, т.е., скорость × области. Результате кровотока каждой артерии был в единицах мл/сек. Файл 2 дополнительный код для примера скрипта Matlab и нажмите на кнопку «запустить».
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Правильный фрагмент геометрия имеет решающее значение для обеспечения успеха эксперимента PC-МРТ. Точное изображение плоскости позиционирования дает фигуру «круглых» артерии (Рисунок 3А), и как углы увеличивается, т.е., когда он менее перпендикулярно артерии, результирующей геометрии артерии становится яйцевидные, ведущих к частичный объем эффекты (рис. 3b). Тяжелые частичный объем эффекты приведет к завышению крови поток 6,7. Поэтому мы выступаем за повторного позиционирования в плоскости изображения, если форма артерии яйцевидные.
Интра проверки воспроизводимости время курса изменения потока крови в пределах одного сердечного цикла от представителя крыса отображаются в цифры 4. Как можно видеть, поток крови достигает своего максимума во время этапа систолического и возвращает базовые во время этапа диастолического для обоих разделов. Рисунок 5А и 5b показать участок Bland-Альтман и точечная, соответственно, между двумя измерениями крови в том же сеансе, демонстрируя хорошую корреляции между измерениями (R2= 0,7, P < 0,001). С предлагаемые параметры проверки поток крови достигает повторяющихся измерений, демонстрируя отличную воспроизводимость результатов. Эта характеристика может оказаться полезным при тестировании фармакологические эффекты на основных артериях 8,9.
Как PC-МРТ является Неинвазивная подход для измерения потока крови, это может быть выгодно в протоколах, которые требуют мониторинга продольной. Рисунок 6 показывает время курс для сканирования одного сердечного цикла в животное в возрасте 2 и 4 месяцев и показывает, что поток крови в ОАС значительно зависят от возраста, предлагая быстрое развитие в крыс. Эти количественные оценки кровотока имеют существенно важное значение для лучшего понимания системы кровообращения и могут таким образом, стать потенциально полезным инструментом в доклинических исследованиях на ход и атеросклероза.
Рисунок 1 : Животных мониторинг. () ЭКГ электроды расположены на правой лапы и левая задняя Лапа, и дыхательных подушку датчик размещается под туловища животного. (b) ЭКГ и дыхательных сигналы хорошо видны на мониторе. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 2 : Иллюстрация позиции PC-МРТ и представитель изображений. () ломтик позиционирования на реконструированный сагиттальной и корональные просмотров от TOF Ангиограмма. Синяя линия показывает плоскости изображения на уровне медианы ОАС. (b) Magnitude и phase изображения из одного сроки сине серии изображений от представителя животного. Красные стрелки показывают расположение ОСО. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 3 : Представитель масштабы изображения. () Imaging плоскость перпендикулярна к артерии и (b) изображений самолет non перпендикуляр к артерии. Форма артерии изменяется с раунд яйцевидные если плоскости изображения не перпендикулярно артерии. Область, содержащая ОСО усиливается в красной коробке. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 4 : Тест интра сканирования потока крови от представителя крыса. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 5 : Внутри раздел воспроизводимость измерений потока крови ОСО. () Bland-Альтман участок Сравнивая два измерения потока крови, приобрел между разделами. Сплошная линия представляет собой среднее разницу между двумя измерениями, в то время как пунктирные линии изображают 95% доверительный интервал. (b) разброс участок измерения потока двух крови. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 6 : Продольное сканирование в 2 месяца и 4 - месячного животных, показывая возрастные изменения кровотока в ОСО.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
PC-МРТ является комплексный подход для оценки неинвазивные и продольного потока крови. Мы представляем протокол для выполнения PC-МРТ крысы ОСО. Эта процедура легко выполнять в любых животных томограф и демонстрирует хорошую воспроизводимость.
PC-МРТ техника получила все большую популярность в человека 10,11 , а также исследования на животных 4,12. Среди этих исследований, результаты Пэн и др. 4 представляет особый интерес ввиду схожести их подход, но основное различие в текущей работе является использование пространственного разрешения 0,21 мм, по сравнению с 0,31 мм в вышеупомянутом докладе. Ограниченным пространственным разрешением значительно уменьшает время сканирования, но результирующая частичный объем эффект может смещения потока количественной оценки, особенно для небольших судов 6,7. Поскольку точность измерения находится в списке приоритетов, пространственным разрешением 0,21 мм с больше время сканирования это было предложено в будущем животных исследования.
Non закрытый PC-МРТ используется как альтернативный метод измерения потока крови во многих исследованиях человека из-за его значительно меньшей сканирования время 6,13,14,15. Однако не закрытом PC-МРТ не предлагается в животных, используемых для доклинических испытаний как сердечного ритма крыс может достигать 400 bpm, приводит к быстрой чередование между фазами систолы и диастолы. Non закрытый PC-МРТ может пропустить важную информацию на этапе систолического, приводит к относительно более низкие значения потока и выше варианты 7; Таким образом он может использоваться только для прибывающих в грубой оценки в животных, используемых для доклинических испытаний.
Многие параметры связаны с точной количественной для PC-МРТ данных, и VENC является одним из них. Недооценка VENC вызывает фазы сглаживание 16 , но более высокое значение VENC приведет к ухудшению качества изображения 17. Мы использовали VENC значение 120 см/сек, которая подходит для нормального взрослого SD крыс. Когда ожидаются изменения в тонус сосудов, например 4различных видов VENC значение должны быть оптимизированы таким образом, что лучше изображения или оценки могут быть приобретены.
Особое внимание должно быть уделено важные шаги протокола для получения надежного результата. Во-первых чтобы избежать резонансных контуров и коррупцией МРТ резонансной частоты сигнала ЭКГ, предлагается перекручивайте кабели ЭКГ вместе. Во-вторых большинство мелких животных МРТ включать цепь циркулирующего теплой воды для поддержания температуры тела животного в магнит. Однако поток воды вводит шум и, таким образом, препятствует сигнала ЭКГ. Таким образом в этом закрытом PC-МРТ исследовании, мы предлагаем использовать теплый воздух, электрогрелки системы или марлей для улучшения качества стробирования вместо системы циркуляции теплой воды.
Следует отметить, что в этой работе, только 2D последовательности PC-МРТ был использован для сбора данных. Базовая техника кино закрытый 2D PC-МРТ стала перспективным инструментом для количественного определения потока крови из-за преимущества сокращение времени сканирования и легко осуществляться в стандартные сканеры. Однако данные, полученные методом 2D PC-МРТ ограничена из-за отсутствия объемного поглощения и надежный упростить отслеживание, тем самым отсутствуют некоторые важные сведения, такие как турбулентного потока. Время решить 3D PC-МРТ пульс последовательности с более последнему слову методы, такие как ускоренное cine, PC-МРТ с сжатые зондирования и параллельной обработки изображений 18,19 должно быть реализовано в будущем крыса экспериментов ОСО. Это улучшение даст возможность предоставления проницательности в пространственных аспектов распределение скоростей и структуры потока. Тем не менее животных подготовка и мониторинг протоколов, представленные в настоящем докладе по-прежнему применяются в этих методов PC-МРТ 4D.
В заключение мы демонстрируем простая и надежная процедура, которая измеряет поток крови крыс ОСО, неинвазивная PC-МРТ. Дальнейшего применения данного метода визуализации включают в себя тестирование фармакологические эффекты, патофизиологические оценки и оценки церебральной гемодинамики.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Существует ничего не разглашать.
Acknowledgments
Эта работа была поддержана грантов от министерства науки и технологии, Тайвань, Грант № MOST-105-2314-B-039-044-MY2.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 7T small animal MRI system | Bruker | ||
| Isoflurane | Baxter | 1001936040 | anesthetic |
| ECG lead | 3M | 2269T | |
| Matlab | MathWorks | sofeware for image processing | |
| Monitoring and gating system | SA instruments, Inc | Model 1030 |
References
- Zakszewski, E., Schmit, B., Kurpad, S., Budde, M. D. Diffusion imaging in the rat cervical spinal cord. J Vis Exp. (98), (2015).
- Wise, R. G., Al-Shafei, A. I., Carpenter, T. A., Hall, L. D., Huang, C. L. Simultaneous measurement of blood and myocardial velocity in the rat heart by phase contrast MRI using sparse q-space sampling. J Magn Reson Imaging. 22 (5), 614-627 (2005).
- Skardal, K., Espe, E. K., Zhang, L., Aronsen, J. M., Sjaastad, I. Three-Directional Evaluation of Mitral Flow in the Rat Heart by Phase-Contrast Cardiovascular Magnetic Resonance. PLoS One. 11 (3), e0150536 (2016).
- Peng, S. L., et al. Phase-contrast magnetic resonance imaging for the evaluation of wall shear stress in the common carotid artery of a spontaneously hypertensive rat model at 7T: Location-specific change, regional distribution along the vascular circumference, and reproducibility analysis. Magn Reson Imaging. 34 (5), 624-631 (2016).
- Yu, H. Y., Peng, H. H., Wang, J. L., Wen, C. Y., Tseng, W. Y. Quantification of the pulse wave velocity of the descending aorta using axial velocity profiles from phase-contrast magnetic resonance imaging. Magn Reson Med. 56 (4), 876-883 (2006).
- Peng, S. L., et al. Optimization of phase-contrast MRI for the quantification of whole-brain cerebral blood flow. J Magn Reson Imaging. 42 (4), 1126-1133 (2015).
- Peng, S. L., Shih, C. T., Huang, C. W., Chiu, S. C., Shen, W. C. Optimized analysis of blood flow and wall shear stress in the common carotid artery of rat model by phase-contrast MRI. Sci Rep. 7 (1), 5253 (2017).
- Bozgeyik, Z., Berilgen, S., Ozdemir, H., Tekatas, A., Ogur, E. Evaluation of the effects of sildenafil citrate (viagra) on vertebral artery blood flow in patients with vertebro-basilar insufficiency. Korean J Radiol. 9 (6), 477-480 (2008).
- Swampillai, J., Rakebrandt, F., Morris, K., Jones, C. J., Fraser, A. G. Acute effects of caffeine and tobacco on arterial function and wave travel. Eur J Clin Invest. 36 (12), 844-849 (2006).
- Neff, K. W., Horn, P., Schmiedek, P., Duber, C., Dinter, D. J. 2D cine phase-contrast MRI for volume flow evaluation of the brain-supplying circulation in moyamoya disease. AJR Am J Roentgenol. 187 (1), W107-W115 (2006).
- Stalder, A. F., et al. Quantitative 2D and 3D phase contrast MRI: optimized analysis of blood flow and vessel wall parameters. Magn Reson Med. 60 (5), 1218-1231 (2008).
- Dall'Armellina, E., et al. Improved method for quantification of regional cardiac function in mice using phase-contrast MRI. Magn Reson Med. 67 (2), 541-551 (2012).
- Peng, S. L., Ravi, H., Sheng, M., Thomas, B. P., Lu, H. Searching for a truly "iso-metabolic" gas challenge in physiological MRI. J Cereb Blood Flow Metab. 37 (2), 715-725 (2017).
- Liu, P., et al. Quantitative assessment of global cerebral metabolic rate of oxygen (CMRO2) in neonates using MRI. NMR Biomed. 27 (3), 332-340 (2014).
- Xu, F., Ge, Y., Lu, H. Noninvasive quantification of whole-brain cerebral metabolic rate of oxygen (CMRO2) by MRI. Magn Reson Med. 62 (1), 141-148 (2009).
- Lotz, J., Meier, C., Leppert, A., Galanski, M. Cardiovascular flow measurement with phase-contrast MR imaging: basic facts and implementation. Radiographics. 22 (3), 651-671 (2002).
- Pelc, N. J., Herfkens, R. J., Shimakawa, A., Enzmann, D. R. Phase contrast cine magnetic resonance imaging. Magn Reson Q. 7 (4), 229-254 (1991).
- Kim, D., et al. Accelerated phase-contrast cine MRI using k-t SPARSE-SENSE. Magn Reson Med. 67 (4), 1054-1064 (2012).
- Valvano, G., et al. Accelerating 4D flow MRI by exploiting low-rank matrix structure and hadamard sparsity. Magn Reson Med. 78 (4), 1330-1341 (2017).
